И. И. ТАШЛЫКОВА-БУШКЕВИЧ

Р

ФИЗИКА

И

В 2-х частях

У

Г

Б

а

Часть 2

к

ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.

СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

по

е

вом образования Республики Беларусь

Допущено Минис ерс

и

в качес

ве учебного пособия

для студентов учрежденийт, беспечивающих получение высшего образования

л

техническим специальностям

б

и

Б

Минск БГУИР 2008

УДК 53 (075.8) ББК 22.3 я 73

Т 25

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра технической физики Белорусского национального

технического университета (доцент кафедры,

канд. физ.-мат. наук В. А. Мартинович);

доцент кафедры атомной физики и физической информатики БГУ,

канд. физ.-мат. наук А. А. Сокольский

Р

И

Т 25

Ташлыкова-Бушкевич, И. И.

Б

У

Физика : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2 : Оптика. Квантовая физика. Строе-

ние и физические свойства вещества / И.

ГИ. Ташлыкова-Бушкевич. –

а

Минск : БГУИР, 2008. – 182 с. : ил.

к

ISBN 978-985-488-077-8 (ч. 2)

Основу учебного пособия составили ле ции по физике, читаемые автором в Бело-

русском государственном унив рсит те информатики и радиоэлектроники. Пособие

написано в соответствии с программой курса физики для технических специальностей

о

акжерезультаты научных исследований, выполненных

вузов. Материал с держит

автором.

В части 2 рассм трены

п ика, квантовая физика, строение и физические свойства

вещества.

т

л

Предназначено для студентов технических специальностей высших учебных за-

ведений. Пособ е может быть использовано студентами при самостоятельной работе

б

аитакже лекторами как основа для чтения данных разделов общего курса

над курсом,

«Физика».

и

Б

УДК 53 (075.8)

ББК 22.3 я 73

Часть

1 ‹‹Механика.

Молекулярная физика и термодинамика.

Электричество и магнетизм›› издана

в БГУИР в 2006 г.

ISBN 978-985-488-077-8 (ч. 2)

© Ташлыкова-Бушкевич И. И., 2008

ISBN 978-985-488-104-1

© УО ‹‹Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники››, 2008

						СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................................................................													6
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ						................................................................................							7
Обозначения и названия основных .........................единиц физических величин													8
Десятичные приставки к названиям ...........................................................единиц													8
ВВЕДЕНИЕ			...............................................................................................................										9
Раздел 4. ОПТИКА ...............................................................................................													10
Тема 21. Геометрическая оптика ...........................................................................												Р	10
21.1. Предварительные сведения. Световая волна.
		Показатель преломления .........................................................среды									И		10
21.2. Законы геометрической оптики. Оптическая длина пути.
		Принцип Ферма. Таутохронизм.........................................................								У			11
Тема 22. Интерференция света													14
22.1. Когерентность и интерференция ..............................световых волн													14
									Г
22.2. Расчет интерференционной картины от двух когерентных
		источников						Б					17
22.3. Интерференция света ............................................в тонких плёнках													18
22.4. Интерференция многих .............................................................волн													20
Тема 23. Дифракция света......................................................................................							к						22
23.1. Принцип Гюйгенса ...........................–Френеля. Метод зон Френеля													22
23.2. Дифракция Френеля .........................на руглом отверстии и диске													23
						е							24
23.3. Дифракция Фраунгоф .....ра наоднойащели и дифракционной решетке
23.4. Дифракция напространств ...........ннойрешетке. Понятиео голографии													27
Тема 24. Поляризация света...................................................................................													30
24.1 Области нормальной и аномальной дисперсии света.
					о								30
		Электронная е рия .........................................................дисперсии
24.2		Эффект Д плера ..................................................................................											32
24.3				ри
		Поля зац я света. Естественный и поляризованный свет.
			ол										34
		Закон Малюса ......................................................................................
24.4		П яр зац я света при отражении. Закон Брюстера. Двойное
	б												36
и			учепре омление ................................................................................
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................													38
Раздел 5. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.......................................................................													39
Б													39
Тема 25. Квантовая природа электромагнитного ...............................излучения
25.1. Тепловое излучение............................................................................													39
25.2.			Законы теплового .............................................................излучения										41
25.3.			Квантовая гипотеза ...............................................................Планка										44
25.4.			Фотоэффект. Формула ...................................................Эйнштейна										45
25.5.			Коротковолновая граница ............тормозногорентгеновскогоспектра										48
25.6.			Фотоны. Импульс ......................................фотона. Давление света										50
25.7.			Эффект Кóмптона ..............................................................................										52
Тема 26. Волновые свойства микрочастиц ...........................................................													55
26.1. Гипотеза де Бройля ........................... Опыты Дэвиссона–Джермера													55

3

26.2. Прохождение электронов через две щели. Неприменимость
понятиятраектории к микрочастицам. Дифракция электронов.........	57

26.3.Соотношения неопределенностей. Прохождение частицы через щель. Оценка энергии нулевых колебаний

гармонического осциллятора .............................................................

61

26.4.Задание состояния частицы в квантовой физике: пси-функция, ее физический смысл как амплитуды вероятности. Нормировка. Стандартные условия. Суперпозиция состояний в квантовой

	физике..................................................................................................									64
									Р
26.5. Уравнения Шрёдингера (временнóе и стационарное).
	Стационарные состояния. Квантование энергии							..............................		66
								И
26.6. Задачи на применение уравнения Шрёдингера.................................										68
26.7. Частица в одномерной бесконечно глубокой потенциальной
								У
	«яме»...................................................................................................									70
26.8. Гармонический осциллятор (результаты решения ..........................)										73
							Г
26.9. Прохождение частицы через одномерный потенциальный
							Б
	барьер. Туннельный эффект...............................................................									75
Тема 27. Операторы в квантовой физике						..............................................................				83
27.1. Средние значения величин. Основные постулаты квантовой
						йна
	теории. Собственные функции и собственные значения ....................									83
					к
27.2. Собственные значения и собственные функции проекции
	момента импульса...............................................................................									86
27.3. Опыт Барнетта. Опыт Эйншт							и де Хааза. Опыт Штерна
	и Герлаха. Спин. Квантов числа орбитального и спинового
				т
	моментов		.............................................................................................							89
27.4. Сложение момен ов.ыеРезультирующий механический момент
			о
	многоэлектр нн й сис емы................................................................									92
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................										94
		и
Раздел 6. СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА................										96
Тема 28. Физика атома ...........................................................................................										96
28.1. Представ ен е о модели атома Резерфорда										96
	б
28.2. Посту аты Бора. Боровская модель атома ........................................										98
и
28.3. Квантовол-механическая модель атома водорода (результаты
	решенияуравненияШрёдингера). Квантовыечисла ........атома водорода									101
Б
28.4. Вырождение уровней. Кратность вырождения. Символы
	состояний. Схема уровней. Правила отбора. Спектральные
	серии атома водорода .......................................................................									104
28.5. Магнитный момент атома. Атом в магнитном поле. Эффект
	Зеемана. .............................................................................................									107
28.6. Распределение электронов по энергетическим уровням
	в атоме. Принцип Паули. Оболочка и подоболочка .......................									111
28.7. Периодическая система элементов ..................................................										113
28.8. Характеристическое рентгеновское излучение.
	Рентгеновские спектры. Закон Мозли .............................................									115

4

Тема 29. Двухатомная молекула..........................................................................

117

29.1.Схема энергетических уровней двухатомной молекулы: электронные термы, их колебательная и вращательная

	структуры ..........................................................................................										117
29.2. Комбинационное рассеяние света....................................................											119
Тема 30. Физика твердого тела ............................................................................											121
30.1. Кристаллические тела. Типы кристаллов........................................											121
30.2. Теплоемкость кристаллов. Закон Дюлонга и Пти. Зависимость
	теплоемкости от температуры Дебая...............................................										123
										Р
30.3. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение.
	Равновесное излучение. Принцип детального равновесия
									И
	и формула Планка. Активная среда					.................................................					125
30.4. Лазер (на примере трехуровневой системы). Резонатор										................	127
								У
30.5. Распределения Ферми–Дирака и Бозе–Эйнштейна ........................											129
30.6. Квантовая теория свободных электронов в металле.
							Г
	Плотность энергетических состояний .............................................										132
						Б
30.7. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы,
	полупроводники, диэлектрики.........................................................										134
30.8. Электропроводность металловиполупроводников. ЭффектХолла......											136
30.9. Контактная разность потенци лов. Термоэлектрические явления..											139
					к
30.10. Полупроводниковые диоды и тр нзисторы....................................											143
30.11. Сверхпроводимость. Магнитные свойства сверхпроводника
				е
	(эффект Мейснера). Эфф таДжозефсона.
	Высокотемпературная св рхпроводимость.....................................										145
Тема 31. Физика ядра ...........................................................................................											148
31.1. Масса и энергия связи ядра..............................................................											148
31.2. Ядерные силы....................................................................................											152
31.3. Радиоакт в				сть...............................................................................							153
		и
31.4. Закон рад			активного распада.........................................................								155
31.5. Ядерные реакциино..............................................................................											156
31.6. Энергет ческая схема ядерной реакции..........................................											159
	б
31.7. Реакции деления ядер. Пути использования ядерной энергии.......											160
и
Тема 32. Элементарныел			частицы .........................................................................								166
32.1. В ды взаимодействия и классы элементарных частиц ..................											166
Б
32.2. Частицы и античастицы. Кварки......................................................											170
ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................											172
ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................											173
1.	Греческий алфавит................................................................................										173
2. Параметры некоторых химических элементов ...................................											173
3.	Некоторые физические константы ......................................................										174
4.	Некоторые внесистемные единицы .....................................................										174
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ............................................................................											175

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время наука и технологии определяют критерии университетского обра- зования. Одна из главных задач инженерного вузовского образования заключается в подго- товке высококвалифицированных специалистов для инженерно-инновационной и научно- исследовательской деятельности. В техническом вузе, где физика не является профилирую- щей дисциплиной, фундаментальность курса общей физики диктует необходимость форми-

рования у студентов физического мировоззрения и развития научного мышления в условиях ограниченного времени. Для улучшения понимания и запоминания студентами материала в

процессе обучения, в том числе при управляемой самостоятельной работе, актуальны разра-
ботка и использование учебных материалов на основе курсов лекций в вузах.	Р

Настоящий краткий курс лекций по физике написан на основе материала общего кур-

са «Физика», читаемого автором студентам Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, изучающим курс физики в течение двух-трех семестров.

Цель учебного пособия – сформировать у студентов достаточноИширокую теоретиче- скую подготовку по курсу «Физика», необходимую для ориентации в потоке научной и тех-

Содержание данного курса соответствует Государственному образовательному стандарту и действующей типовой программе курса физики для технических специальностей вузов.

нической информации и использования знаний по физике в техникеУ; дать такой объем теоре- тического материала, который необходим для понимания сути рассматриваемых физических

явлений, законов и теорий. Поэтому в данном пособии большоеГвнимание уделено исходным понятиям, основополагающим экспериментальным ф ктам, фундаментальным законам. В

пособие включены оригинальные результаты н учных исследований, выполненных автором
		Б
в рамках проектов Белорусского республи анского фонда фундаментальных исследований.
Курс лекций издается в двух частях. Во второй ч сти рассмотрены оптика, квантовая
физика, а также строение и физические свойст	ещества.
	ва
При подготовке пособия были поставл ны следующие задачи:
─ дать возможность студентам самостоятельнок		работать над курсом, в том числе при
подготовке к практическим и лабораторным занятиям;
─ дополнять материал, чи аемыйена л кциях, наглядными примерами, приложениями

физических законов в разных блас ях науки и техники, а также решениями классических задач для объяснения иллюс рации изучаемых теоретических положений.

Отличительной черт й нас ящего учебного пособия является то, что при сравни-
		т
тельно небольшом объёме п с бия материал излагается доступно, информативно и кратко.
	о
Названия тем в пособ совпадают с названиями лекционных занятий. В оформлении мате-
и
л

риала используетсябвыде ение формулировок законов, принципов, формул и терминов с по- мощью подчеркивания, рамок и других типографских средств, что облегчает восприятие ин- формации. Большое количество иллюстраций наглядно объясняет физические формулы и модели, ст мул руя образное мышление студентов. Краткая и доступная форма изложения матерБала, в том числе физической сути изучаемых явлений, позволяет использовать посо- бие преподавателям технических вузов. Для дополнительного удобства пособие содержит подробный предметный указатель.

Автор благодарит доцента кафедры технической физики БНТУ В. А. Мартиновича, доцента кафедры атомной физики и физической информатики БГУ А. А. Сокольского, про- фессора кафедры физики твердого тела БГУ В. Г. Шепелевича, профессора кафедры физики

ихимии БГАТУ В. М. Добрянского, заведующего кафедрой физики факультета радиофизики

иэлектроники БГУ профессора В. А. Саечникова и доцента кафедры физики БГУИР В. И. Мурзова за обсуждение рукописи настоящего пособия и сделанные полезные замечания.

6